Use of oyster shell (Crassostrea gigas) as aggregate replacement for producing environmentally-friendly concrete
Utilisation de broyats de coquille d'huître (Crassostrea gigas) en remplacement complet des granulats pour la production de bétons à faible coût environnemental
Résumé
Due to the depletion of resources, by-products claim attention to be reused or reincorporated in other materials. Cementitious materials are on the top of the list of the most consumed materials which traditionally leads to a high demand for raw materials. In the actual context of net zero emissions target and circularity economy, building materials must be reinvented through a more sustainable approach. Based on this, bio-based materials have been attracting attention to be incorporated into building materials, improving materials properties and providing lower environmental burdens. Within this context, the Nouvelle-Aquitaine region (France), the Arcachon bay shellfish farming Comittee and France University Institute funded the BECCoH project, which aims to assess the potential use of crushed oyster shells (OS) in concrete. The oyster farming activity is largely developed in this region and generates a high amount of waste (shells) due to the maintenance and cleaning process in the farming area on top of food consumption. In general, the shells represent over 70% of the oyster weight, leading to over 700 kilograms of waste per ton of production. Therefore, the BECCoH project has been built to evaluate the reuse of crushed oyster shells as aggregate replacement in cementitious materials, raising awareness in the local community about alternative sustainable solutions for local by-products.
In this context, this PhD thesis aims to investigate the use of crushed oyster shells to fully replace fine and coarse aggregate in concrete and to characterise the change of material properties and the potential environmental benefits from this substitution. A new approach is developed to optimise the granular skeleton obtained after oyster shell crushing. This approach consists in combining particle classes in different proportions to obtain better particle packing. Because of the flatness of the crushed OS, traditional methods designed for spherical particles cannot be used for this purpose. Consequently, our strategy is to directly minimise the intergranular porosity, which can be estimated through loose bulk and oven-dried densities of particle classes. A statistical software is used to analyse the particle classes combination and to optimise the mixture proportion in order to decrease the intergranular porosity. The crushed OS is optimised into fine (0/4 mm) and coarse (4/10 mm) aggregates. Once this optimisation is determined, a self-compacting concrete formulation is set with a full replacement of conventional aggregate (sand and gravel) by OS. To limit further environmental impacts, low clinker cement (CEM V/A) is chosen for concrete mixes. As conventional aggregates are substituted by OS, the formulation goes beyond the prescriptions of NF EN 206/CN for classical concretes. Therefore, the performance-based approach is applied to evaluate whether the concrete meets the performance and durability requirements or not. In this aim, the mechanical properties considered are the compressive strength, the flexural strength, the tensile splitting strength and the elastic modulus. In sequence, relevant durability indicators are chosen to evaluate the ageing of the OS concrete: carbonation, chloride migration, gas permeability, capillary water absorption and porosity accessible to water.
Going further on the sustainable approach, the environmental impacts related to the replacement of conventional aggregates by crushed OS in concrete are investigated. We aim to evaluate the potential environmental impacts and possibilities for improvement in these processes. The energy demand, fuel consumption, water used and solid waste were the main indicators chosen to be assessed.
ns le contexte de la transition énergétique appliquée au Génie Civil, une attention particulière est portée à l'épuisement des ressources naturelles et à l'empreinte carbone des matériaux. Les matériaux cimentaires figurent en tête de liste des matériaux les plus consommés ce qui conduit à une forte demande en matières premières. La région Nouvelle-Aquitaine (France), le comité de conchyliculture du Bassin d'Arcachon et l'Institut Universitaire de France ont financé le projet BECCoH (BEton et Coulis pour la valorisation de COquilles d’Huîtres), qui vise à évaluer le potentiel de réutilisation des coquilles d'huîtres concassés (OS) dans le béton. L'activité ostréicole est largement développée dans cette région (dont le Bassin d'Arcachon) et génère une quantité importante de déchets (coquilles) due au processus d'entretien et de nettoyage de la zone d'élevage en plus de la consommation alimentaire. En général, les coquilles représentent plus de 70 % du poids de l'huître, ce qui entraîne plus de 700 kilogrammes de déchets par tonne de production. Par conséquent, le projet BECCoH a été construit pour évaluer la réutilisation des coquilles d'huîtres broyées, sensibilisant la communauté locale aux solutions alternatives durables pour les sous-produits locaux, basé sur une logique d'économie circulaire.
Dans ce contexte, cette thèse de doctorat vise à étudier l'utilisation de coquilles d'huîtres broyées pour remplacer complètement les granulats fins et grossiers dans un béton et à caractériser le changement des propriétés des matériaux et les avantages environnementaux potentiels de cette substitution. Pour cela, une nouvelle approche est développée pour optimiser le squelette granulaire obtenu après broyage des coquilles d'huîtres. En raison de la planéité de l'OS broyé, les méthodes traditionnelles conçues pour les particules sphériques ne peuvent pas être utilisées à cette fin. Par conséquent, notre stratégie consiste à minimiser directement la porosité intergranulaire, qui peut être estimée à travers les masses volumiques en vrac et réelle séchée à l’étuve des classes de particules. Un logiciel statistique est utilisé pour analyser la combinaison des classes de particules et optimiser la proportion du mélange afin de diminuer la porosité intergranulaire. Finalement, l'OS concassé est optimisé en granulats fins (0/4 mm) et grossiers (4/10 mm). Une fois cette optimisation déterminée, une formulation de béton autoplaçant est définie avec un remplacement complet des granulats conventionnels (sable et gravier) par l'OS. Pour limiter les impacts environnementaux ultérieurs, le ciment à faible teneur en clinker (CEM V/A) est choisi. Les granulats conventionnels étant substitués par l'OS, la formulation va au-delà des prescriptions de la NF EN 206/CN pour les bétons classiques. Par conséquent, l'approche performantielle est appliquée pour évaluer si le béton répond ou non aux exigences de performance et de durabilité. Dans ce but, les propriétés mécaniques (résistance à la compression, la résistance à la flexion, la résistance au fendage en traction et le module d'élasticité). Puis, des indicateurs de durabilité pertinents sont choisis pour évaluer la durabilité du béton OS: carbonatation, migration des chlorures, perméabilité au gaz, absorption d'eau capillaire et porosité accessible à l'eau.
Pour aller plus loin dans l'approche durable et valider la réutilisation des sous-produits coquilliers, les impacts environnementaux liés au remplacement des granulats conventionnels par l'OS concassé dans le béton sont examinés. Nous visons à évaluer les impacts environnementaux potentiels et les possibilités d'amélioration de ces processus. La demande d'énergie, la consommation de carburant, l'eau utilisée et les déchets solides ont été les principaux indicateurs choisis pour être évalués.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)